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PROpriétés des MATériaux SOLaires - PROMATSOL
Fiche d’identité
Composition de l'équipe (ou participants)
Responsable(s): C. Escape, (IE CNRS)
Mots clés
Diffusivité thermique, réflectivité spectrale UV visible IR angulaire, BRDF, transmitivité, étalonnage.
Les thèmes
Mesure de propriétés optiques et thermiques
Etalonnage
Métrologie
Contrats
Equipex SOCRATE
Gros équipements
LFA 457 MicroFlash, 04/2012, EQUIPEX SOCRATE.
CASI, 10/2013, EQUIPEX SOCRATE.
SOC 100 HDR, 02/2013, EQUIPEX SOCRATE.
Lambda 950, 07/2015, EQUIPEX SOCRATE.
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Rapport du service
INTRODUCTION
Dans le cadre de la dotation par les investissements d’avenir de l’EQUIPEX SOCRATE pour PROMES, le service
PROMATSOL a été créé et doté de personnel et d’équipements de mesures physiques pour déterminer les propriétés
surfaciques et intrinsèques de matériaux liés au domaine de l’énergie solaire.
Les propriétés thermo-optiques des surfaces gouvernent l’équilibre thermique des absorbeurs des récepteurs solaires et
donc leur efficacité. L’enjeu du service est de mesurer ces propriétés afin de contribuer aux choix des matériaux et aux
connaissances des récepteurs surfaciques ou volumiques et plus généralement des matériaux mis en œuvre dans les
centrales solaires : mesure de l’absorptivité et de l’émissivité absorbeurs, réflectivité solaire des miroirs, conductivité des
matériaux de stockage thermique. Avec ces objectifs, des besoins d’étalonnage sont devenus évidents.
Le service regroupe l’ensemble des appareils permettant d’évaluer ces propriétés optiques et thermiques : il dispose pour
cela d’un spectroradiomètre UV-Visible, d’un réflectomètre spectral NIR-IR, d’un réflectomètre bidirectionnel, d’un
diffusivimètre, d’un banc d’étalonnage pyrométrique et d’un équipement de mesure de réflectivité solaire sur four solaire
(DISCO).
1. EQUIPEMENTS
1.1. LFA 457 MicroFlash
Cet appareil permet de mesurer la diffusivité thermique de matériaux de la température ambiante jusque 1100°C. La
conductivité thermique peut être obtenue grâce à la connaissance de la masse volumique et de la chaleur spécifique. Les
mesures obtenues sont capitales dans le choix et l’évaluation de matériaux pour le stockage de chaleur.
Figure 1 : LFA 457 à PROMES
Figure 2 : diffusivité thermique de cornéenne
1.2. SMS CASI scatterometer
Cet appareil permet de mesurer les angles de diffusion d’un rayon réfléchi. La mesure est réalisée avec un laser à 633nm.
Le laser irradie l’échantillon placé sur un axe contrôlé tandis qu’un détecteur est placé sur un goniomètre qui mesure
l’énergie réfléchie en effectuant un scan angulaire avec une résolution de 0.001° et une incertitude de 0.05°. On obtient
alors la BRDF (réflectivité hémisphérique totale) ou BTDF (transmitivité hémisphérique totale). Par ailleurs l’équipement
permet de connaitre la rugosité de l’échantillon.
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Figure 3 : CASI à PROMES
Figure 4 : BRDF d’étalons du service PROMATSOL
1.3. SOC 100HDR
Le réflectomètre SOC 100HDR est associé à un spectromètre Thermo-Electron (Nicolet 6700) pour effectuer la mesure de la
réflectivité hémisphérique normale et angulaire. Ainsi les résultats permettent de déduire l’émissivité et l’absorptivité de
l’échantillon. Cet appareil travaille sur une gamme spectrale de 2µm à 25µm et une gamme de réflexion 10° à 80°. Les
mesures en transmission spectrales et angulaires sont aussi possibles en transmission. Un accessoire de contrôle de la
température de l’échantillon (jusque 500°C) est opérationnel pour la mesure en réflexion.
Figure 5 :SOC100HDR à PROMES
Figure 6 : Réflectivité d’un étalon comparée à sa mesure au SOC100HDR
1.4. Perkin Elmer Lambda 950
Le spectrophotomètre UV/Vis Lambda 950 (Perkin Elmer) de PROMATSOL est pourvu de 2 accessoires qui permettent les
mesures de réflectivité et transmission normale hémisphérique (8° sphère intégrante) et angulaire avec l’accessoire TAMS
(Total Absolute Measurement System) pour une gamme de 250nm à 2500nm.
Cet équipement de mesures permet d’obtenir :
la réflectance totale spéculaire et diffuse de l’échantillon ;
la réflectance spéculaire et diffuse en fonction de l’angle d’incidence de l’échantillon ;
la transmission directe totale, normale et diffuse en fonction de l’angle d’incidence de l’échantillon.
Ces mesures permettront le calcul de l’absorbance solaire de verres et matériaux de capteurs solaires sélectifs. C’est un
équipement de référence couramment utilisé dans les centres qui qualifient et étalonnent des références.
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Figure 7 : Lambda 950 équipé de l’accessoire TAMS
Figure 8 : Réflectivité « miroir_3PC » face A, face B avec et sans
composante spéculaire
1.5. DISCO
DISCO est un moyen unique développé par PROMES de mesure de la BRDF à haute température sous flux solaire.
Grâce à DISCO, les réflectivités bidirectionnelle et hémisphérique des matériaux opaques et diffusants sont déterminées à
température ambiante et à haute température avec, comme source de chaleur, le rayonnement solaire issu d’un
concentrateur parabolique de 2m de diamètre.
Figure 9 : Dispositif DISCO
Figure 10 : Mesure sur Inconel à 400°C
1.6. Banc d’étalonnage pyrométrique
Le service maintient, améliore et met à disposition un banc d’étalonnage de températures comprenant 3 corps noirs couvrant
la gamme de températures de 250°C à 2500°C régulés et contrôlés à l’aide de 2 pyromètres étalons.
Le banc permet d’installer grâce à des tables de translation optiques les moyens de mesure de températures des
utilisateurs.
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Figure 11 : Banc d’étalonnage pyrométrique
Figure 12 : Mesures sur corps noir
2. METROLOGIE
2.1. Etalonnage et maintenance
Dans le but de fournir des mesures fiables et justes, le service s’est équipé de standards de réflectance étalonnés couvrant
les gammes spectrales des appareils du service avec des zones de recouvrement de certains standards sur plusieurs
appareils. En opération nous utilisons des étalons de service qui sont raccordés aux étalons de référence, qui eux-mêmes
sont étalonnés par des organismes accrédités ayant fourni les valeurs et certificats. Les équipements sont contrôlés en
interne via ces étalons et les services des constructeurs ou revendeurs. De même, la maintenance est assurée par le
service en lien avec les fournisseurs pour les garanties en cours.
2.2. Méthodes
Le service fonctionne en prestation ou formation selon le nombre et la spécificité des mesures.
Des protocoles usuels existent mais en fonction des exigences de matériaux ou de mises en œuvre, le service met au point
des solutions techniques adaptées pour obtenir les informations demandées. Ainsi sont développés des supports
spécifiques et des montages mécaniques en partenariat avec l’atelier, des protocoles selon la littérature et les fournisseurs,
ou des astuces de mise en œuvre.
Le service peut former l’utilisateur à mettre en œuvre un ou plusieurs équipements pour qu’il puisse être en autonomie.
2.3. Enregistrements
Le service a mis en place une traçabilité des mesures, des modes opératoires et des cycles de vie des équipements avec
des redondances.
3. PERSPECTIVES
3.1. Pyroréflectométrie
Le service tient à disposition 2 appareils de mesure de température sans contact par pyroréflectométrie. L’objectif consiste à
pérenniser cette technique et à la mettre en œuvre sur les expérimentations.
3.2. DISCO
Christophe Escape a pris en main l’expérimentation DISCO dans sa version « basique », l’objectif suivant est le
raccordement d’un spectrophotomètre pour en obtenir les informations spectrales.
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3.3. Intercomparaisons de mesures
Afin de fiabiliser les mesures et d’accroitre la participation du service à des réseaux métiers, des échanges avec l’école des
mines d’Albi ont débuté et la participation à des round-robin tests est prévue à partir de 2016. Par ailleurs, des essais
comparatifs sont également prévus dans le cadre de SolarPACES.
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